Myelin is multibilayered, dominantly lipid sheath that enwraps axons and ensures proper transmission of neural impulses. One of the most highlighted compositional attributes of myelin is the domination of lipids (70-85 %) over proteins of which the most significant are proteolipid protein (PLP) and myelin basic protein (MBP) (15-30 %), with representative lipids being phospholipids (phosphatidylcholines (PCs), phosphatidylethanolamines (PEs), phosphatidylserines (PSs) and sphingomyelin (SM)) and cholesterol (chol). Disruption of spirally wrapped myelin sheath around axon axis is refferred as demyelination and it encompasses the effects such as the redundant unwrappping, vacuole formation and bilayer swelling due to water and ions leaking across the sheaths. Resulting with the impaired transmission of neural impulses, it produces clinical symptoms such as vision loss and muscle weakness which are common features of multiple sclerosis (MS). The studies of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), as animal model of MS,  demonstrated that the amount and ratios of representative myelin lipids were significantly modified in contrast with myelin of normal varieties and are further accompanied by reduced adhesive activity of myelin basic protein (MBP). Although extensively explored in vitro and in vivo models, a more detailed picture of the molecular level events that drive the demyelination in all of its forms remains unknown. This project aims to tackle these unknows by examination of model myelin membranes of different sizes and composition (with respect to the normal and modified myelin) in the presence of MBP and its simpler subunits (peptides) that make a direct interaction with lipid membrane. Model myelin membranes will be prepared as large and giant uni- and multilamellar liposomes (LUVs/GUVs and MLVs/GMVs) and their response to the presence of peptides and MBP will be analyzed with microscopic and spectroscopic techniques, as well with the support provided by molecular dynamics simulations. Aside of understanding demyelination at the molecular level, obtained results will help in suggesting possible solutions in lipid composition regulation either by medications and appropriate nutrition or will provide the guidelines towards building-up the artificial myelin structure.

Male promjene u raspodjeli lipida u mijelinskoj membrani koja je čvrsto omotana oko aksona neurona utječu na njena adhezivna svojstva, kao i na vezu s mijelinskim bazičnim proteinom (MBP), jednim od najvažnijih proteina u strukturi mijelina. Nestrukturirani MBP sa svojim pozitivno nabijenim ostatcima uzrokuje promjenu ravnoteže između nabijenih i nenabijenih lipida, te alternacije u lateralnoj organizaciji višestrukih lipidnih dvosloja mijelina. Međutim, interakcija MBP-a i zwitterionskih lipida nije u potpunosti razjašnjena. Ponašanje MBP-a na površini lipidnog dvosloja sastavljenog od zwitterionskih lipida koji čine visok postotak u sastavu mijelinskih membrana istraživat će se relativno jednostavnim spektroskopskim tehnikama poput FT-IR spektroskopije i UV/Vis spektrofotometrije te uz pomoć računalne kemije kao dodatka navedenim eksperimentalnim tehnikama. U okviru ovog projektnog prijedloga detektirat će se temperatura faznog prijelaza višestrukih lipidnih dvosloja i njihov strukturni raspored pod utjecajem različitih hidratacijskih otapala i prisustva MBP-a. Eksperimentalne vještine kao i nova saznanja stečena ovim projektom mogu potaknuti daljnja istraživanja lipidnih domena kod biološki važnih fenomena propadanja membranskih sustava karakterističnih kod neurodegenerativnih bolesti.

Dostava lijekova enkapsuliranih u liposome funkcija je prvenstveno njihovog naboja te kemijskog sastava i načina slaganja lipida. Iako je administracija pozitivno nabijenih lijekova najučinkovitija u negativno nabijenom liposomu, takvi će liposomi ostvariti nepoželjne interakcije s pozitivno nabijenim komponentama u krvi i tkivu. Međutim, liposomi kod kojih je vanjski membranski sloj načinjen od neutralnih, a unutarnji od negativno nabijenih lipida predstavljaju značajan iskorak u optimizaciji dostave lijeka na ciljano mjesto s minimalnim nuspojavama. U okviru ovog projektnog prijedloga predlaže se primjena FTIR spektroskopija u karakterizaciji asimetričnih liposoma na molekulskoj razini. Analizom temperaturno-ovisnog ponašanja vrpci koje potječu od vibracijskih načina pojedinih funkcijskih skupina
molekula lipida (alkilni lanci, glicerolna okosnica te polarne skupine) identificirat će se ključne razlike u termičkom ponašanju simetričnih i asimetričnih liposoma jednakog kemijskog sastava i naposljetku omogućiti rekonstrukcija slaganja lipida. Podaci dobiveni iz FTIR spektara usporedit će se onima dobivenima iz DSC krivulja i NMR spektara. Fundamentalna znanja dobivena u ovom projektu poslužit će za daljnje usavršavanje asimetričnih liposoma kao dostavljača specifičnih lijekova.

Mijelin je višestruko-dvoslojna, pretežno lipidna ovojnica koja omata aksone i osigurava pravilan prijenos živčanih impulsa. Gubitak cjelovitosti mijelina u obliku njegovog prekomjernog odmotavanja, stvaranja vakuola te bubrenja dvosloja naziva se demijelinizacijom koja je povezana s multiplom sklerozom (MS). In vivo studije provedene na oboljelim životinjama pokazale su da su količine najzastupljenijih lipida, uključujući fosfatidiletanolamine (PE), značajno promijenjene u usporedbi sa zdravima, a prati ih i smanjena adhezivna aktivnost mijelin-bazičnog proteina (MBP). Utjecaj povećanja PE u mješovitim modelnim lipidnim membranama na temperaturu faznog prijelaza iz lamelarne (La) u inverznu heksagonsku (HII) fazu, koji pokazuje strukturne sličnosti s formiranjem vakuola, značajan je, ali prilično nedokučiv problem. Cilj ovog prijedloga je naći vezu između spomenute temperaturne promjene te veličine i rasporeda PE-domena u mješovitim modelnim lipidnim membranama uz i bez prisustva MBP-a. Modelne mijelinske membrane priredit će se iz najzastupljenijih mijelinskih lipida u skladu s njihovim omjerima u normalnim i oboljelim jedinkama. Uz različito okruženje PE domena unutar dvosloja, zajedno s promjenama u hidratacijskom mediju u pogledu prisustva MBP-a te ionskog sadržaja, sustavno će se proučiti promjene temperature La do HII faznog prijelaza PE domena. Detaljna molekularna slika tih događaja dobit će se kombinacijom temperaturno-ovisne IR spektroskopije i računalne kemije; strukturne promjene PE domena tijekom ove fazne promjene otkrit će se zajedno s interakcijama između PE, MBP i susjednih domena. Odredit će se parametri koji se smatraju najkritičnijima u smanjenju temperature faznog prijelaza La do HII. Osim razumijevanja demijelinizacije na molekularnoj razini, dobiveni rezultati će također pomoći u predlaganju mogućih rješenja u regulaciji lipidnog sastava lijekovima te odgovarajućom prehranom.